Permanentmagnete sind ein Grundbaustein der grünen Energieerzeugung und ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher moderner Technologien. Sie zeichnen sich durch eine spontane Magnetisierung aus, und zeigen eine möglichst hohe Remanenz und Koerzivität. In unserer Forschung geht es darum, aktuelle Magneten in dieser Hinsicht zu verbessern, also die Hystere zu verbreitern und damit die Energiedichte zu vergrößern, oder neue Magnete zu entdecken, sowohl mit als auch ohne kritische sog. Seltene Erden.
In beiden Fällen ist ein solides Verständnis der elementaren magnetischen Eigenschaften der Atome, die Mikrostruktur der Materialien als auch deren Zusammenspiel entscheidend. Konkrete Fragestellungen beziehen sich auf die elementaren magnetischen Momente und deren Wechselwirkung, die Bildung der magnetischen Anisotropie im Kristallgitter und die Domänenwandbewegung über Phasengrenzen und Defekte hinweg. In unserer Gruppe setzen wir auf fortschrittliche Techniken wie Röntgenabsorption (XAS, XMCD, EXAFS) und tomografische Verfahren, um eine Vielzahl verschiedener Informationen aus dem Material zu bekommen und so fundamentale als auch angewandte Fragestellungen zu beantworten.
Dieser Forschungsbereich ist eingebunden in den CRC/SFB 270 HoMMage als Teilprojekt A03
Die Untersuchung von Zuständen außerhalb des Gleichgewichts in magnetischen und funktionellen Materialien kann zu interessanten Phänomenen führen, wie beispielsweise der Ladungsübertragungsdynamik zwischen den Bestandteilen, der ultraschnellen Entmagnetisierung oder der Entstehung kollektiver Ordnungen. Wir nutzen zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie, um die Anregung und Relaxation optisch angeregter Zustände mit zeitlichen Auflösungen von einigen zehn Pikosekunden bis hinunter zu einigen zehn Femtosekunden zu untersuchen. Entscheidend für die Entflechtung der Beiträge verschiedener Elemente ist die Elementselektivität von Röntgentechniken in Legierungen oder anderen Mehrkomponentenmaterialien.
Die Arbeiten leisten grundlegende Beiträge auf dem Gebiet des ultraschnellen Umschaltens magnetischer Zustände oder der allgemeineren Spin- und Orbitronik. Anstatt Informationen durch Elektronenbewegungen zu übertragen, zielen diese darauf ab, die magnetischen Eigenschaften der Materialien als Übertragungsmedium für Signale zu nutzen.
Dieser Forschnugsbereich ist eingebungen im CRC/SFB1242 als Teilprojekt A07.
Schematische Darstellung eines Experiments. Die Pumpe (roter Pfeil) ist ein Laserimpuls, der das Material anregt. Nach der Anregung kann die Röntgensonde (blaue Energie) diese Anregungen messen. In diesem Fall erfolgt die Messung am TM-L-Kante, wobei die Valenz-3d-Zustände durch die Anregung von Elektronen vom 2p- zum 3d-Zustand untersucht werden. Mit KI angepasst aus: https://www.uni-due.de/sfb1242/overview_a7.php
Aufgrund des weltweit zunehmenden Energiebedarfs für Kühlung besteht ein großes Interesse an der Entwicklung und Erforschung alternativer Kühlkonzepte. Materialien mit magnetokalorischem Effekt stellen eine vielversprechende Klasse von Festkörperkühlmaterialien dar und werden bereits in der Tieftemperatur erfolgreich eingesetzt (auch hier am KIP!), können aber auch eine Alternative zur konventionellen Gaskompressorkühlung bieten.
Magnetokalorische Materialien zeigen bei einer Änderung des angelegten Magnetfeldes eine reversible Änderung ihrer Temperatur unter adiabatischen Bedingungen aufgrund einer isothermen Entropieänderung des magnetischen Gitters. Dieser Effekt wird deutlich verstärkt, wenn 1) dabei die Curie-Temperatur des Materials unterschritten wird und 2) diese spontane Magnetisierung in einem engen Temperaturintervall stattfindet. In diesem Fall eines Phasenübergangs erster Ordnung bei der Curie-Temperatur maximiert sich die Entropieänderung über nur geringe angelegte magnetische Felder. In unserer Gruppe werden diese Prozesse unter anderem mithilfe von Methoden der Röntgenabsorption untersucht. Dadurch lassen sich die elementspezifischen Beiträge zu den magnetischen, strukturellen und vibratorischen Eigenschaften bestimmen. Auf dieser Grundlage können Materialien hinsichtlich ihrer magnetokalorischen Eigenschaften und ihrer Eignung für die Festkörperkühlung gezielt optimiert werden.
Skizze eines magnetokalorischen Kühlkreislaufs. Mit KI adaptiert von: O. Tegus, E. Brück, K. H. J. Buschow, and F. R. de Boer, Nature 415, 150 (2002).
Künstliche Spin-Ice-Systeme sind maßgeschneiderte Anordnungen nanoskaliger Magnete, die einige spannende magnetische Phänomene aufweisen können, wie z.B. magnetische Frustration, magnetische Monopole oder kollektive Anregungen.
Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Frage, wie sich solche Zustände und Anregungen bilden, verändern und dynamisch kontrollieren lassen. Spektroskopische Methoden, insbesondere zeit- und ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie, liefern dabei element- und spinspezifische Informationen über die magnetische Struktur und ihre Dynamik. Dadurch eröffnen künstliche Spin-Ice-Systeme neue Perspektiven für die Erforschung von frustriertem Magnetismus sowie für zukünftige Anwendungen in der Computertechnologie.
Dieses Projekt gehört zu den über GEPRIS geförderten Projekten.
Messung der Magnetisierung der Nanomagnete in einem künstlichen Spin-Eis System auf einem regulären Gitter. Copyright to Patrick Steinkraus
